泛素化在病原物相关分子模式诱导的植物先天免疫反应中的作用

雷苏炜，李 魏，2，董 铮，李利华，戴良英，2*

（1湖南农业大学植物保护学院，长沙410128；2作物基因工程湖南省重点实验室，长沙410128）

泛素化在病原物相关分子模式诱导的植物先天免疫反应中的作用

雷苏炜1，李 魏1，2，董 铮1，李利华1，戴良英1，2*

（1湖南农业大学植物保护学院，长沙410128；2作物基因工程湖南省重点实验室，长沙410128）

泛素化广泛参与调控植物体内多种生理生化反应，如生长发育、先天免疫反应等。综述了泛素化在病原物相关分子模式（PAMPs）激发的植物先天免疫反应（PTI）中的作用，重点介绍了泛素化在细菌鞭毛蛋白和真菌几丁质等PAMP引起的PTI反应中的作用及其机制。此外，还综述了病原微生物分泌的部分效应因子泛素化靶标或者通过抑制植物靶标泛素化以抑制PTI反应并达到侵染的目的，以为解析植物体内抗性调节机制和植物病原菌的防治提供参考。

植物；泛素化；病原物；相关分子模式；先天免疫反应

泛素化作为一种重要的蛋白质翻译后修饰，广泛参与调控植物体内多种生理生化反应，如激素合成、囊泡运输、细胞死亡、先天免疫反应等，其中人们越来越关注泛素化参与调控植物先天免疫反应。植物先天免疫反应系统主要由病原物相关分子模式激发的免疫反应（PAMP-triggered immunity，PTI）与效应因子激发的免疫反应（effector-triggered immunity，ETI）组成。植物模式识别受体（Pattern recognition receptor，PRR）识别病原微生物表面保守的病原物相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP）后引起PTI反应。许多研究显示，泛素化在PRR介导的PTI反应中发挥着重要的作用。本文主要综述了泛素化在植物PTI反应中的作用及其作用分子机制，以为进一步阐明植物先天反应机制提供参考。

1 泛素化调控由鞭毛蛋白引起的PTI反应

flg22是细菌鞭毛蛋白（flagellin）的N端中由22个氨基酸残基组成的肽段。该肽段被鞭毛蛋白在植物体内对应的PRR蛋白FLS2识别后作为激发子引起植物的PTI反应［1］。研究显示，有多个具有E3泛素连接酶活性的U-box蛋白参与调控由flg22激发的PTI反应。拟南芥U-box蛋白PUB12与PUB13都具有E3泛素连接酶活性，二者在flg22的诱导下可分别与FLS2结合，随后泛素化FLS2并促进其降解［2］。Lu等人对野生型、pub12、pub13叶片处理flg22后，发现相比于野生型植株，上述2个突变体植株体内活性氧的产生增加2～3倍，胼胝质积累明显增加，免疫反应相关基因（如WRKY30、AP2、FRK1）的转录水平明显升高［2］。PUB12和PUB13分别与FLS2形成蛋白复合体依赖类受体激酶BAK1，且BAK1可磷酸化PUB12和PUB13［2］。因此，BAK1磷酸化PUB12和PUB13，进而引起PUB12和PUB13泛素化FLS2以促进其泛素-26S蛋白酶体途径的降解，这一信号传导最终导致PUB12和PUB13负调控鞭毛蛋白引起的植物PTI反应［3］。

拟南芥U-box蛋白PUB22／PUB23／PUB24也分别具有E3泛素连接酶活性，三者功能冗余且负调控flg22诱导的PTI反应［4］。flg22介导的PTI反应和植物抵抗不同病原物需要囊泡运输途径中的胞吐复合体Exo70B2［5］。拟南芥细胞通过感知flg22诱导受体FLS2后可稳定PUB22蛋白的活性，并通过26S蛋白酶体促进PUB22介导Exo70B2的泛素化及其降解，进而抑制flg22介导的PTI反应［5］。最新研究表明，水稻中具有E3泛素连接酶活性的U-box蛋白SPL11与Rho型GTP酶激活蛋白SPIN6产生蛋白—蛋白互作并体外泛素化SPIN6，以促进其泛素-26S蛋白酶体途径的降解［6］。在对野生型与Spin6-RNAi植株处理flg22后，Spin6-RNAi植株体内活性氧的产生比野生型增加2～4倍，茉莉酸（JA）介导抗病途径的应答基因PBZ1的表达量相比于野生型在1 h后明显升高［6］。因此，SPL11通过泛素化降解SPIN6调控水稻对鞭毛蛋白引起的PTI反应，且该反应可能通过JA信号通路传导［6］。类似地，具有E3泛素连接酶活性的拟南芥U-box蛋白PUB20／PUB21及其在番茄中的同源基因、拟南芥RHA2a蛋白、马铃薯StPUB17蛋白以及烟草NtPUB17蛋白等均被证实参与鞭毛蛋白等PAMP激发的PTI反应［7～10］。

2 泛素化调控由几丁质引起的PTI反应

几丁质是病原真菌上一种典型的PAMP分子，同样能引起植物的PTI反应。有研究表明，编码E3泛素连接酶的ATL（Arabidopsis toxicosen levadura）基因家族参与植物的先天免疫反应，部分ATL基因能被几丁质等PAMPs诱导，如ATL2、ATL6、ATL9、EL5等［11～13］。Berrocal-Lobo等［12］对ATL9基因表达模式进行分析，发现其表达量越高，拟南芥防御白粉菌（Golovinomyces cichoracearum）的抗性越强。几丁质处理拟南芥后，atl9突变体对几丁质诱导的免疫反应比野生型明显减弱，如H2O2的产生、抗病相关基因的转录水平，因此ATL9参与拟南芥体内的PTI反应以及增强对白粉菌的抗性。此外，水稻OsUBC5b蛋白与ATL家族EL5蛋白共同完成泛素化过程，其中二者分别作为E2泛素结合酶与E3泛素连接酶，都能被几丁质明显诱导，说明它们很有可能一起参与几丁质诱导的植物PTI反应［14，15］。

拟南芥中含LysM功能结构域的类受体激酶LYK5可以识别几丁质并引起PTI反应。研究表明，上面提及的PUB13与LYK5产生蛋白—蛋白互作并可在体外泛素化LYK5［16］。pub12突变体与pub13突变体对几丁质诱导的免疫反应比野生型明显增强，如活性氧的产生、MAP激酶的磷酸化。而利用MG132处理拟南芥后，发现LYK5的蛋白丰度增加。因此，PUB13通过泛素化LYK5以促进其泛素-26S蛋白酶体途径的降解，从而导致PUB13负调控几丁质诱导的PTI反应［16］。此外，小G蛋白OsRac1参与由几丁质引起的PTI反应，而上面提及的SPIN6可使OsRac1失活并促进其水解以抑制OsRac1介导的先天免疫反应［6］。Liu等人对水稻野生型植株、Spin6-RNAi与spin6处理几丁质后发现，Spin6-RNAi与spin6对几丁质诱导的PTI反应均比野生型增强，如活性氧的产生、PBZ1以及水杨酸（SA）抗病途径的应答基因PR1a、PAL表达量的明显增加［6］。因此，SPL11参与由几丁质介导的PTI反应可能同时通过SA与JA抗病途径以调节［6］。此外，上面提及的PUB22／PUB23／PUB24也参与调控几丁质引起的PTI反应［4］。

3 病原微生物分泌的效应因子通过泛素化过程抑制PTI反应

为了抵抗植物产生的免疫反应，病原微生物会释放各种毒性因子至植物体内干扰植物的免疫应答。细菌的某些Ⅲ型效应因子具有E3泛素连接酶活性，可以直接泛素化PRRs或其他宿主蛋白以抑制植物的PTI反应。AvrPtoB是植物病原细菌Pseudomonas syringae pv.tamato的Ⅲ型效应因子，其C端因在结构上与RING／U-box结构域同源而具有E3泛素连接酶活性［17］。有研究显示，AvrPtoB能够泛素化鞭毛蛋白受体FLS2和几丁质受体CERK1；AvrPtoB的N端结构域可以与FLS2及BAK1产生蛋白—蛋白互作，并泛素化FLS2的激酶结构域，从而抑制鞭毛蛋白引起的PTI反应［18］；AvrPtoB泛素化CERK1的激酶结构域，并促进CERK1体内降解从而抑制植株PTI的产生［19］。类似地，XopL是病原细菌Xanthomonas campestris pv.Vesicatoria的Ⅲ型效应因子，其C端也具有E3泛素连接酶活性［20］。XopL依靠其泛素连接酶活性促进细胞死亡，其N端LRR结构域抑制宿主植物体内的PTI反应，但是目前XopL作用的宿主靶标并不清楚［20］。

病原物释放的效应因子中还有一些可以与宿主的泛素连接酶直接作用以抑制植物的PTI反应。例如，马铃薯晚疫病菌（Phytophthora infestans）释放的效应因子Avr3a，通过与宿主体内U-box型E3泛素连接酶CMPG1产生蛋白—蛋白互作，稳定CMPG1的活性，阻止其自泛素化，从而抑制PAMP INF1引发的植物PTI反应［21］。水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv.oryzae，Xoo）分泌的效应蛋白XopPxoo可以将水稻体内的U-box蛋白Os-PUB44作为靶标蛋白，同时抑制OsPUB44的E3泛素连接酶活性，而OsPUB44作为一个正调控因子参与肽聚糖（peptidoglycan，PGN）和几丁质等PAMP诱导的水稻PTI反应［22］。因此，XopPxoo可能通过与OsPUB44蛋白互作并抑制其活性以降低水稻体内的PTI反应以及对白叶枯病菌的抗性［22］。此外，宿主体内的E3泛素连接酶可以通过泛素化降解病原物释放的效应因子以增强植物的PTI反应。水稻中具有E3泛素连接酶活性的APIP6蛋白，可以与稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）的效应因子AvePiz-t产生蛋白—蛋白互作，并且泛素化AvePiz-t以促进其体内的降解［23］。研究发现，在AvePiz-t超表达水稻植株中敲除APIP6后，对鞭毛蛋白诱导的反应比没有敲除APIP6的超表达植株明显降低，如该植株体内活性氧的含量降低约60%、免疫反应相关基因NAC4的转录水平明显降低［23］。因此，APIP6通过泛素化降解AvePiz-t以增强水稻体内的PTI反应以及减弱对稻瘟病的抗性［23］。

4 展望

近年来，人们对泛素化和植物先天免疫反应的研究越来越深入，但泛素化在植物先天免疫反应的相关重要组成部分PTI反应中所起到的调控作用机制有待研究。尽管已经有许多研究结果表明泛素化参与调控植物的PTI反应，但不同种类的泛素化（如多聚泛素化、多泛素化以及单泛素化）在植物先天免疫反应中的作用机制差别仍有待进一步研究。E3泛素连接酶广泛参与调控植物先天免疫反应特别是PTI反应，但是它们调控植物先天免疫反应的大多数靶标蛋白目前仍然不清楚。通过对植物进行各种体内外泛素化水平试验，并与定量蛋白质组学相关原理结合，可能有助于发现在泛素化介导的植物PTI反应中新的靶标蛋白，从而进一步揭示泛素化参与植物免疫反应的新机制，为植物病原菌的防治提供参考。

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Ubiquitination Role of PAMP-triggered Immunity in Plant

LEISuwei1，LIWei1，2，DONG Zheng1，LILihua1，DAILiangying1，2*
（1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Changsha，Hunan 410128，China）

Ubiquitination has been widely involved in regulating various physiological and biochemical reactions in plants，such as growth，development and innate immunity.Here，we reviewed the role of ubiquitination in pathogen associatedmolecular patterns（PAMPs）triggered plants immunity（PTI），especially the function and mechanism of ubiquitination in PTI response activated by bacteria flagellin and fungal chitin.Furthermore，this paper reviews that some of the effectors secreted by pathogen ubiquitinate targets or suppress target ubiquitination to inhibit PTI for its infection.Hopefully，this review can provide reference for analyzing of the regulation mechanism of plant resistance and pathogenmanagement.

plant；ubiquitination；pathogen；associated molecular pattern；innate immunity

S432.1

A

1001-5280（2017）04-0459-04

：10.16848／j.cnki.issn.1001-5280.2017.04.26

2017- 04- 08

雷苏炜（1991-），女，硕士研究生，Email：leisuwei＠sina.com。*通信作者：戴良英，教授，主要研究方向：植物与微生物分子互作，Email：daily＠hunau.net。

国家自然科学基金（31300250）；湖南省自然科学基金（2016JJ3071）；湖南省教育厅项目（62021000032，（G）SCX1622）。